本公开涉及一种直接向发动机的燃烧室喷射燃料的燃料喷射喷嘴。
背景技术：
常规建议的燃料喷射喷嘴包括喷嘴体和针状件，并且针状件容纳在喷嘴体中(例如，参见JP2010-174819A)。呈圆锥形并与针状件的端部接合或脱离的座面设置在喷嘴体的端侧上。喷孔的各自的入口开在袋状室的内周面上，这些喷孔设置在喷嘴体的所述端侧上。外径逐渐减小的两个圆锥面形成在针状件的该端部处。上述燃料喷射喷嘴使针状件的端部从座面脱离以将燃料喷射到燃烧室中，其中燃料从燃料通道的上游流动穿过袋状室进入到喷孔中。
对于对燃料和空气的空气-燃料混合物自点火的柴油机燃烧而言，需要减少冷却损失和排烟量。为了减少冷却损失，需要削弱燃料通过燃料喷射喷嘴的喷孔喷射到燃烧室的喷雾穿透力。因此，燃料喷雾不能容易地到达燃烧室的壁面以减少从燃烧室壁面到冷却介质的热辐射量。从而，能够减少发动机的冷却损失。为了减少排烟量，需要加强燃料的喷雾穿透力。因此，燃料喷雾到达得更远，燃烧室内的空气利用率由此得到提高，从而能够获得良好的燃烧状态。因此，能够减少排烟量。
如果针状件的升程量大于阈值，则当喷雾穿透力削弱时排烟量趋向于增大。如果针状件的升程量小于阈值，则当喷雾穿透力加强时冷却损失趋向于增大。因此，当针状件的升程量大于阈值时，喷雾穿透力需要加强，当针状件的升程量小于阈值时，喷雾穿透力需要削弱。
技术实现要素：
本公开解决上述问题中的至少一个。因此，本公开的一个目的是提供一种燃料喷射喷嘴，其能够在针状件的升程量大于阈值时加强喷雾穿透力，并且能够在针状件的升程量小于阈值时削弱喷雾穿透力。
为了实现本公开的目的，提供一种用于发动机的包括喷嘴体和针状件的燃料喷射喷嘴。喷嘴体为筒形，其包括多个喷孔、燃料通道、圆锥形的座面和袋状室。燃料通过多个喷孔喷射到发动机的燃烧室中。燃料通道形成在多个喷孔的上游侧。座面限定出燃料通道。袋状室设置在燃料通道的下游侧。多个喷孔圆周向布置，其包括分别位于袋状室内周面上的入口。针状件容纳在喷嘴体内以沿喷嘴体的轴向往复移动，针状件包括环形座部和圆锥形末端伸出部。座部与座面接合或脱离以关闭或打开燃料通道。末端伸出部位于座部的下游侧，并且当座部与座面接合时，该末端伸出部分被定位在袋状室中。假定：φDy是所述多个喷孔中的每个的喷孔直径沿轴向的轴向分量；L0是当针状件关闭燃料通道时从多个喷孔的入口中的每个的中心到整个针状件一端的轴向距离；L是针状件的升程量，当针状件的升程量小于预设的阈值时满足关系：│L-L0│＞φDy/2，当针状件的升程量大于该阈值时满足关系：│L-L0│≤φDy/2。
附图说明
从下面参照附图的详细描述中，本公开的上述和其它目的、特征和优点将变得更加直观。在附图中：
图1是示出根据一实施例的燃料喷射喷嘴的截面图；
图2是示出该实施例的燃料喷射喷嘴的主要部分的图；
图3是示出该实施例的燃料喷射喷嘴的主要部分的图；
图4A是根据该实施例示意性示出燃料在袋状室流动情形的截面图；
图4B是根据该实施例示意性示出燃料在袋状室流动情形的截面图；
图5是根据该实施例示出用于针状件升程量的阈值的图；
图6是根据该实施例示出用于针状件升程量的阈值的图；
图7是根据该实施例示出用于针状件升程量的阈值的图；
图8是根据该实施例示出从燃料喷射喷嘴喷射燃料的喷射角变化的时序图。
具体实施方式
以下将参照附图描述实施例。
下面将解释实施例的燃料喷射喷嘴的结构。图1至图8示出了本公开的实施例。本实施例的燃料喷射阀设置成对应于用于使诸如汽车类的车辆行进的发动机的每个气缸。采用直喷式柴油机作为该发动机。
燃料喷射阀包括将燃料直接喷射到发动机的燃烧室中的燃料喷射喷嘴1。燃料喷射喷嘴1包括沿其轴向往复运动的针状件2和具有圆柱形形状容纳该针状件2的喷嘴体3。针状件2包括圆柱形的主体部4、环形的座部5和圆锥形的末端伸出部6。复位弹簧的推动力施加给该针状件2。喷嘴体3包括喷孔7和袋状室8。喷孔7和袋状室8设置在喷嘴体3一端侧上的袋状部分9处。设置能够与座部5接合的座面10来用于喷嘴体3。燃料储存室12设置在喷嘴体3中，其中高压燃料从诸如供给泵或共轨之类的高压产生部件通过燃料孔11引入到该燃料储存室12中。
袋状室8位于燃料通道13的下游侧。该袋状室8为分配室，其将通过燃料通道13环状流动的燃料融合在一起并临时存储这些燃料，然后将燃料均匀地分配和供应给喷孔7。袋状室8的内周面包括以喷嘴体3的轴线为中心的圆柱形周壁表面，和以喷嘴体3轴线上的袋中心为中心的球面形底壁表面。座面10为圆锥形，其内径朝着端侧逐渐减小。驱动针状件2以打开阀的致动器与喷嘴体3连接。采用螺线管致动器或压电式致动器作为该致动器。省略对复位弹簧和致动器的描述。
针状件2与喷嘴体3的座面10接合或脱离以关闭或打开位于喷孔7上游侧的燃料通道13。主体部4由喷嘴体3的导向孔14支撑，从而能够在导向孔14上往复滑动。主体部4包括在主体部4和喷嘴体3之间限定出燃料通道13的外周面。在主体部4的端部处形成有呈圆锥形、其外径朝向端侧逐渐减小的斜面15。座部5形成在斜面15和末端伸出部6的圆锥面16之间。如图2所示，座部5的座直径为φd。
末端伸出部6具有以其轴线为中心的圆锥形形状。当座部5与座面10接合时，该末端伸出部6位于袋状室8中。末端伸出部6从座部5朝向针状件2的端侧伸出。末端伸出部6的末端17相当于整个针状件的末端，并且其被构造为底切部件，用来防止与袋状室8的底壁表面干涉。该末端17为平坦面，具有以针状件2的轴线作为其中心的圆形形状。末端伸出部6的该末端17可以是圆锥面的顶点。燃料通道13形成在针状件2和座面10之间，以及形成在针状件2和喷嘴体3的内周面之间。燃料通道13位于袋状室8的上游侧。燃料通道13位于燃料储存室12的下游侧。
在燃料喷射喷嘴1中，当座部5与座面10接合时，燃料通道13关闭。因此，燃料不会通过喷孔7喷射到燃烧室中。在燃料喷射喷嘴1中，当座部5从座面10升起时，燃料通道13打开。因此，燃料被从燃料通道13引入到与喷孔7连通的袋状室8中。从而，燃料通过喷孔7喷射到燃烧室中。在燃料喷射喷嘴1中，当针状件2开始提升时，针状件通过低提升时期LS和高提升时期LL向上移动到完全提升位置。因此，在燃料喷射喷嘴1中，在整个燃料喷射周期，针状件2的升程量从完全闭合位置改变到完全提升位置。低提升时期LS是在小升程量中的燃料喷射时期，因而针状件2的升程量小于阈值。高提升时期LL是在大升程量中的燃料喷射时期，因而针状件2的升程量大于阈值。
下面将描述本实施例的燃料喷射喷嘴的特征。喷孔7在圆柱形的具有底部的袋状部分9的内部和外部之间连通。例如，可以设置6至12个喷孔7。在本实施例中，设置了10个喷孔7。喷嘴体3的轴线称作喷嘴轴线Y。每个喷孔7的轴线称作喷孔轴线HL。喷孔7设置为径向向外延伸，以喷嘴轴线Y上的预定位置为其中心。这些喷孔7在圆周方向以规则的间隔形成，从而燃料喷雾F1，F2有效地散布到各个燃烧室中。所有的喷孔7都具有相同的夹在喷孔轴线HL和喷嘴轴线Y之间的夹角。所有的喷孔7都具有相同的喷孔直径和相同的喷孔通道长度。
每个喷孔7都包括在袋状部分9的内周面上开口的喷孔入口31和在袋状部分9的外周面上开口的喷孔出口32。每个喷孔7都是直的喷孔，其通道面积从喷孔入口31到喷孔出口32没有变化。在图2至图4B中，每个喷孔7都相对于垂直于喷嘴轴线Y的径向向下倾斜一预定的角度。每个喷孔入口31的中心都形成在袋状室8的周壁表面和底壁表面之间的边界处。袋状室8包括在脊线31处的入口侧开口，这里所述脊线为环形，形成在座面10的下游端。袋状室8中的空间容积根据针状件2的升程量而改变。具体地，当针状件2沿向上的方向提升时，袋状室8的空间容积变大。
当针状件2的升程量小于阈值时的时间被称作针状件2的低提升时间。形成在座面10和座部5之间的座部5周围的通道面积被称作座通道面积α。喷孔7的通道面积的总和被称作喷孔总通道面积β。燃料喷射喷嘴1被构造成使得在针状件2的低提升时间形成在座面10和座部5之间的座通道面积α小于喷孔总通道面积β，其中喷孔总通道面积β是喷孔7的通道面积的总和。座通道面积α是在针状件2的低提升时间贯穿整个燃料喷射在喷嘴体3中形成的燃料通道中的最小通道面积MA。
当针状件2的升程量大于阈值时的时间被称作针状件2的高提升时间。燃料喷射喷嘴1被构造成使得在针状件2的高提升时间座通道面积α大于喷孔总通道面积β。喷孔总通道面积β是在针状件2的高提升时间贯穿整个燃料喷射的最小通道面积MA。该最小通道面积MA是形成在喷嘴体3中的燃料通道中的最小通道面积，特别是在从燃料储存室12到每个喷孔出口32的燃料通道面积中的最小通道面积。
在针状件2的低提升时间和高提升时间，本实施例的燃料喷射喷嘴1规定了末端伸出部6的末端17和每个喷孔入口31的中心之间的轴向距离L0。喷孔7的喷孔直径φD沿轴向的轴向分量为φDy。当针状件2关闭阀时，从每个喷孔入口31的中心到末端伸出部6的末端17的轴向距离为L0。针状件2的升程量为L。
在针状件2的低提升时间，满足│L-L0│＞φDy/2的关系。另一方面，在针状件2的高提升时间，满足│L-L0│≤φDy/2的关系。应当指出的是在针状件2的低提升时间针状件2的低升程量相比于在针状件2的高提升时间针状件2的高升程量，采取了更大的值。
将参照图5至图7详细描述用于针状件升程量的上述阈值。如图5所示，对应于低提升时期LS(在该时期，座通道面积α小于喷孔总通道面积β)和高提升时期LL(在该时期，座通道面积α大于喷孔总通道面积β)之间边界的针状件2的升程量被设置为阈值。图5中的纵轴表示针状件的升程量，图5中的横轴表示α和β之间的大小关系。具体地，当α和β之间的关系表示为α＜β时，针状件的升程量是小于阈值的低升程量，燃料喷射量是小于预定值的小喷射量。当α和β之间的关系表示为α＞β时，针状件的升程量是大于阈值的高升程量，燃料喷射量是大于预定值的大喷射量。
如图6所示，对应于座通道面积α是喷嘴内部通道的最小通道面积MA的提升范围和喷孔总通道面积β是喷嘴内部通道的最小通道面积MA的提升范围之间的边界的针状件的升程量可以设置为阈值。图6中的纵轴表示针状件的升程量，图6中的横轴表示MA＝α和MA＝β之间的关系。具体地，当MA和α之间的关系表示为MA＝α时，针状件的升程量是小于阈值的低升程量，燃料喷射量是小于预定值的小喷射量。当MA和β之间的关系表示为MA＝β时，针状件的升程量是大于阈值的高升程量，燃料喷射量是大于预定值的大喷射量。
如图7所示，当针状件2从其完全闭合位置提升至中间提升位置占用的时间为TM，并且针状件2从其完全闭合位置提升至完全提升位置占用的时间为TF时，可以将对应于TM的针状件的升程量设为阈值。在图7中纵轴表示针状件的升程量，横轴表示针状件2从其完全闭合位置提升至完全提升位置所逝去的时间。在这种情况下，测量从针状件2开始提升的时间到从α＜β转换成α＞β的时间，可以将该测量的时间设定为TM。测量从针状件2开始提升的时间到从MA＝α转换成MA＝β的时间，可以将该测量的时间设定为TM。
因此，在从T0到TM的时期，针状件的升程量是小于阈值的低升程量，燃料喷射量是小于预定值的小喷射量。在从TM到TF的时期，针状件的升程量是大于阈值的高升程量，燃料喷射量是大于预定值的大喷射量。例如，根据末端伸出部6的容积、袋状室8的空间容积、喷孔的总通道面积或针状件的提升速度，可以将上述阈值改变到较大的针状件升程量侧或改变到较小的针状升程量侧。在本实施例中，将阈值设定为完全升程量的50％。当然，也可以将阈值设定为完全升程量的30-70％范围内的任意值。
以下将参照图1和图4A解释在针状件2的低提升时间，燃料在袋状室8内的流动情形。当座部5从座面10脱离时座部5移动到的侧被称为沿轴向的上侧。当座部5与座面10接合时座部5移动到的侧被称为沿轴向的下侧。在针状件2的低提升时间，将L、L0和φDy之间的关系设定为满足│L-L0│＞φDy/2。从喷孔入口31的中心位置沿喷嘴轴线Y的方向下降φDy/2的位置称为基准位置。在这种情况下，在针状件2的低提升时间，末端伸出部6的末端17位于该基准位置的下侧。在这种情形下，α和β之间的关系表示为α＜β，并且MA＝α。
因此，座通道面积α是最小通道面积MA，燃料从燃料通道13流入到袋状室8中的流动速度要快于高提升时间。由于喷孔总通道面积β大于座通道面积α，因此燃料穿过喷孔7内部的流动速度和喷孔出口流动速度均慢于高提升时间。相比于燃料通道13，袋状室8的通道面积快速扩展。在这种情形下，从上游侧的燃料通道13流入到袋状室8中的大部分燃料沿着末端伸出部6的表面流动。接下来，从末端伸出部6的末端脱落下来的燃料沿着喷嘴轴线Y流入到下游侧上袋状室8的底壁表面，并且在袋状室8的底壁表面上与袋状室8的外周成锐角地稍微弯曲。随后，在袋状室8底壁表面上打漩的燃料从袋状室的下侧流到上侧，并稍微弯曲向袋状室8的外周以便穿过各自的喷孔入口31流入到喷孔7中。
另一方面，从燃料通道13流入到袋状室8中的一部分燃料沿着袋状室8的周壁表面流到袋状室8的下侧。然后，已经流入到袋状室8下侧的燃料与袋状室8的外周成锐角地稍微弯曲，以便通过各自的喷孔入口31流入到喷孔7中。因此，从袋状室8的下侧流向上侧的燃料和从袋状室8的上侧流向下侧的燃料在每个喷孔入口31处彼此相互碰撞。结果，在通过每个喷孔7内侧的燃料中产生湍流。由于在通过每个喷孔7内侧的燃料中产生湍流，因此对于从各个喷孔7喷射到燃烧室的燃料的喷射特征，如图4A所示和图8中实线表示的，能够获得这样的喷射特征：即燃料喷雾F1的喷射角大于燃料喷雾F2的喷射角，且燃料喷雾F1的喷雾穿透力小于燃料喷雾F2的喷雾穿透力。
以下将参照图1和图4B解释在针状件2的高提升时间，燃料在袋状室8内的流动情形。在针状件2的高提升时间，将L、L0和φDy之间的关系设定为满足│L-L0│≤φDy/2。沿喷嘴轴线Y的方向从喷孔入口31的中心位置上升φDy/2的位置被称为上基准位置。沿喷嘴轴线Y的方向从喷孔入口31的中心位置下降φDy/2的位置被称为下基准位置。在这种情形下，在针状件2的高提升时间，末端伸出部6的末端17位于上基准位置和下基准位置之间的范围内。在这种情形下，α和β之间的关系表示为α＞β，并且MA＝β。
因此，喷孔总通道面积β是最小通道面积MA，燃料从燃料通道13流入到袋状室8的流动速度要慢于低提升时间。由于喷孔总通道面积β小于座通道面积α，因此穿过每个喷孔7内侧的燃料流动速度和喷孔出口流动速度均快于低提升时间。相比于袋状室8，喷孔总通道面积β快速减小。在这种情形下，从燃料通道13流入到袋状室8中的大部分燃料从末端伸出部6的表面和靠近袋状室8入口的脊线33处脱落。然后，从末端伸出部6的表面和脊线33处脱落的燃料在袋状室8内以大直径缓和弯曲到外侧，以便穿过各自的喷孔入口31流入到喷孔7中。因此，不会在通过每个喷孔7内侧的燃料中产生湍流。相对于燃料从每个喷孔7喷射到燃烧室的喷射特征，如图4B所示和图8中实线表示的，能够获得这样的特征：即燃料喷雾F2的喷射角小于燃料喷雾F1的喷射角，且燃料喷雾F2的喷雾穿透力大于燃料喷雾F1的喷雾穿透力。因此，在针状件2的高提升时间能够实现强大的喷雾穿透力。在针状件2的低提升时间，该喷雾穿透力被削弱。
以下将报告用于本实施例的实验结果。将要解释当针状件从其完全闭合位置提升至完全提升位置时，燃料的喷射角如何改变的实验研究。实验结果如图8的图表所示。显而易见的是，从图8的图表中可以看出在针状件2的低提升时期LS，相比于传统的燃料喷射喷嘴，本实施例的燃料喷射喷嘴1趋向于具有更宽的角度和更低的穿透喷射。图中还示出了在针状件2的高提升时期LL，相比于本实施例的燃料喷射喷嘴1，传统的燃料喷射喷嘴趋向于具有更宽的角度和更低的穿透喷射。
图8中的纵轴表示燃料的喷射角度，横轴表示当针状件2从其完全闭合位置提升至完全提升位置所逝去的时间。针状件2从其完全闭合位置提升至中间提升位置所占用的时间为TM，针状件2从其完全闭合位置提升至完全提升位置所占用的时间为TF。图8中的实线代表本实施例的燃料喷射喷嘴1的特征线CN，图8中的短虚线代表传统的燃料喷射喷嘴的特征线EN。
因此，在针状件2的低提升时间能够削弱喷雾穿透力。因此，能够在针状件2的低提升时间减少冷却损失。在针状件2的高提升时间能够增强燃料的喷雾穿透力。因此，能够在针状件2的高提升时间减少排烟量。由此，本实施例的燃料喷射喷嘴1能够获得既减少冷却损失又减少排烟量的效果。
以下将描述本实施例的变例。在本实施例中，已经描述了本公开应用于喷射高压燃料的燃料喷射喷嘴1中，其中所述高压燃料从供给泵或共轨直接引入到发动机的燃烧室中。然而，本公开也可应用于这样的燃料喷射喷嘴：即燃料从诸如管线燃料泵或分配式燃料泵之类的燃料喷射泵被直接压送入燃料储存室。当燃料储存室内的燃料压力超过弹簧的推动力时，针状件打开阀门，燃料喷射喷嘴直接向直接喷射型发动机喷射燃料。
在本实施例中，已经描述了本公开的实施例应用于针状件2在燃料喷射时从其完全闭合位置提升至完全提升位置这种类型的燃料喷射喷嘴1。然而，本公开也可以应用于升程量可变的燃料喷射喷嘴1中，其中在发动机所需要的喷射量小于预定值的小喷射量的情形下，针状件2从其完全闭合位置提升至低提升位置，在发动机所需要的喷射量大于预定值的大喷射量的情形下针状件2从其完全闭合位置提升至高提升位置。即使是在针状件2从其完全闭合位置提升至完全提升位置这种类型的燃料喷射喷嘴1中，如果致动器的通电时期短，则尽管针状件2从其完全闭合位置实现完全提升，但针状件2也仅能提升至其低提升位置。
在本实施例中，已经描述了本公开的实施例应用于具有恒定的针状件提升速度的燃料喷射喷嘴1中。然而，本公开也可以应用于在针状件的提升过程中针状件的提升速度改变的燃料喷射喷嘴中。此外，本公开可以应用于针状件2阶段式提升的燃料喷射喷嘴1中。在本实施例中，燃料喷射喷嘴1构造为燃料喷射喷嘴1的针状件2直接通过螺线管致动器或压电致动器的驱动力驱动打开阀门，并且通过弹簧的推动力关闭阀门。然而，也可以采用螺线管阀或压电致动器作为驱动针状件2以打开/关闭阀门的致动器，这里所述螺线管阀或压电致动器可以调节直接设置在针状件2上方的控制室中的燃料压力以控制针状件2的打开/关闭操作。
在本实施例中，采用直接喷射式柴油发动机作为直接喷射型发动机。或者，也可以采用直接喷射式汽油发动机作为直接喷射型发动机。在本实施例中，喷孔入口31的中心位于袋状室8的内周面和底壁表面之间的边界处。或者，喷孔入口31的中心可以仅位于袋状室8的周壁表面上。此外，喷孔入口31的中心也可以仅位于袋状室8的底壁表面上。整个针状件的前端形状可以是球面形、截头圆锥形或圆锥形。本公开不限于如上所述的实施例，可以将其实践于各种变例中。
总之，根据上述实施例的燃料喷射喷嘴1可以如下描述。
在本公开的一方面中，当针状件升程量小于阈值时，L、L0和φDy满足│L-L0│＞φDy/2的关系。因此，当针状件升程量小于阈值时，在通过各个喷孔内部的燃料流中易于产生湍流，通过喷孔喷射到燃烧室中的燃料喷雾穿透力变弱。另一方面，当针状件升程量大于阈值时，L、L0和φDy满足│L-L0│≤φDy/2的关系。因此，当针状件的升程量大于阈值时，在通过各个喷孔内部的燃料流中不易产生湍流，通过喷孔喷射到燃烧室中的喷雾穿透力增强。因此，当针状件的升程量大于阈值时喷雾穿透力能够增强。当针状件的升程量小于阈值时喷雾穿透力能够削弱。其细节已经参照附图在上述实施例中详细说明。
尽管已经结合实施例描述了本公开，但应当理解的是本公开不限于所述实施例和结构。本公开旨在覆盖各种变型和等效布置。此外，尽管已经有了各种结合和构造，但包含更多、更少或单个元件的其他的结合和构造也在本公开的实质和范围内。